Bientôt SOLEIL : la source française de rayonnement synchrotron

Bientôt SOLEIL : la source françaisede rayonnement synchrotronLe rayonnement électromagnétique etles photons associés, un outil privilégiépour étudier la matièreLe rayonnement électromagnétique, c’est de la lumière. Dela lumière au sens large bien sûr, non restreint au petit domainede fréquence auquel la rétine de notre œil est sensible. Lephoton est un concept introduit par Einstein, dans l’un de sesquatre articles fondamentaux publiés en 1905, pour modéliserles interactions entre le rayonnement électromagnétique et lamatière qui s’effectuent par quantités discrètes d’énergie. Lephoton est une particule quantique associée au champ électromagnétique(e.m.), dont la fonction d’onde est l’onde e.m.elle-même. Sa vitesse c dans le vide, invariante dans toutréférentiel, est celle de la lumière (voisine de 300 000 km/s).Le photon a une durée de vie infinie et suit les géodésiques del’espace-temps. Il emporte une énergie liée à la fréquence νde l’onde e.m. associée par la relation E = hν, et son impulsionest p = hν/c, h étant la constante de Planck.Les photons sont un outil essentiel pour sonder la matière,et ceci tient à un ensemble de raisons. Il existe divers procédéspour produire du rayonnement e.m. de la fréquence souhaitée.Les sources disponibles permettent de produiredes ondes e.m. dans une très large gamme de fréquence(donc d’énergie de photons), de brillance, d’intensitéet de flux. On sait comment modifier la géométrie desfaisceaux e.m. (par exemple pour les focaliser) et choisiret modifier leur état de polarisation, y compris dans ledomaine des rayons X. La gamme des détecteurs disponiblesest également large. Par ailleurs, les conditionsde sécurité dans l’utilisation des faisceaux e.m. sontbien maîtrisées. En choisissant l’énergie des photons, onsélectionne le phénomène physique étudié. Enfin, lesphotons, selon leur énergie et les conditions expérimentales,permettent l’analyse de la surface et/ou du volumedes échantillons sondés.Le rayonnement synchrotronUne particule chargée qui subit une accélération émetdu rayonnement e.m., donc éjecte des photons. Dans untube à rayons X médical, par exemple, les électrons émispar le filament cathodique, puis accélérés, sont brutalementralentis dans le métal de l’anode et émettent alorsdu rayonnement continu baptisé « bremsstrahlung »(rayonnement de freinage). Lorsque l’électron se déplaceà vitesse relativement faible par rapport à l’observateur, ilrayonne dans toutes les directions de l’espace un rayon-Roger Fourme 1 , Marie-Paule Level 2 , Isabelle Quinkal 3Synchrotron Soleil, L’Orme des Merisiers, Saint-Aubin, 91190 Gif-sur-Yvette1. Directeur scientifique, Roger.fourme@synchrotron-soleil.fr2. Adjointe au directeur de la division Sources et Accélérateurs, Marie-paule.level@synchrotron-soleil.fr3. Chargée de communication, Isabelle.quinkal@synchrotron-soleil.frProjet initié au début des années 1990 au laboratoire d’utilisation du rayonnement électromagnétique (LURE) d’Orsay,la source française de rayonnement synchrotron SOLEIL fournira une lumière aux caractéristiques exceptionnelles, dèsl’automne 2006, aux communautés scientifiques et industrielles. Cette lumière sera produite par des électrons relativistescirculant dans un anneau de 354 mètres de périmètre, puis exploitée dans 24 « lignes de lumière ». SOLEIL, actuellementen construction sur le plateau de Saclay, bénéficiera d’innovations technologiques développées par ses propreséquipes, qui le placent au premier rang des centres synchrotron dits de 3 e génération. Les qualités de son rayonnement(brillance et gamme spectrale s’étendant des infrarouges aux rayons X) ouvrent de nouvelles perspectives pour sonderla matière. Aussi, ce grand équipement accueillera-t-il chaque année plus de 2000 utilisateurs spécialistes de domainesaussi variés que la biologie, la chimie, la science des matériaux, l’environnement, la physique, les sciences de la Terreou le patrimoine culturel et l’archéologie.nement monochromatique (c’est-à-dire d’une seule fréquence)(figure 1). Quand sa vitesse augmente pour atteindre une fractionappréciable de la vitesse de la lumière, l’émission devientde plus en plus anisotrope. Pour un électron de très hauteénergie, donc animé d’une vitesse proche de celle de la lumière,l’anisotropie devient extrême. Dans ce cas, du point de vuede l’observateur dans le système du laboratoire, le rayonnemente.m. est confiné dans un cône de très petite ouverturedont l’axe est le vecteur-vitesse de l’électron (figure 1).De plus, le rayonnement n’est plus monochromatique, mais« blanc » : on est en présence d’une distribution continue defréquences. Ces caractéristiques découlent directement deslois de l’électromagnétisme et des postulats et résultats de larelativité restreinte, théorie exposée dans un autre articled’Einstein de la miraculeuse année 1905.Le principe du rayonnement d’un électron en mouvementapparaît pour la première fois dans un ouvrage de J. Larmoren 1897 en ce qui concerne les électrons non relativistes, puisdans les ouvrages de A. Lienard et E. Wiechert en 1898 pourles électrons de vitesse arbitraire (concept des potentielsretardés). Il faut ensuite attendre les années 1950 pour qu’apparaissentdes ouvrages de référence tels les articles deFigure 1 : Production de rayonnement par un électron lent (a) ou relativiste (b) sur orbitecirculaire.(a) Quand la vitesse de l’électron accéléré est faible par rapport à c :– émission de rayonnement e.m. dans toutes les directions– photons mono-énergétiques(b) Quand la vitesse de l’électron accéléré est proche de c :– émission concentrée autour du vecteur vitesse dans un cône d’ouverture totale prochede 2/γ radian (γ, le facteur de Lorentz en relativité restreinte, est égal au rapport del’énergie totale de la particule à l’énergie associée à la masse au repos)– distribution continue en énergie des photons émis.Bulletin de la S.F.P. (150) juillet-août 2005 9

J. Schwinger en 1949, de D. Ivanenko et A. Sokolov (traductionallemande en 1953), de M. Sands en 1955 et enfinl’ouvrage général de J.D. Jackson en 1962 (ClassicalElectrodynamics).La mise en évidence expérimentale du rayonnement produitpar des électrons relativistes eut lieu d’abord indirectement en1946, par l’observation de la variation de l’orbite de l’électron(J. P. Blewett), puis directement en 1947, par l’observation durayonnement lui-même (H. Pollock et R. Langmuir) à travers lehublot d’un synchrotron produisant des électrons de 70 MeVdans les laboratoires de la General Electric à Schenectady(USA), d’où le nom de « rayonnement synchrotron ».Les sources de rayonnement synchrotron sont des accélérateursd’électrons qui dérivent de ceux conçus initialementpour la physique des hautes énergies. L’idée des anneaux decollisions est née chez les physiciens des hautes énergies(B. Touschek, Frascati, 1961) afin de disposer de toute l’énergiedes particules dans l’interaction. Il s’agit d’anneaux danslesquels des particules (ici, e + , e - ) circulent sur la même orbitedans des directions opposées. Le premier anneau, ADA,d’énergie 160 MeV (anneau italien installé à Orsay en 1963),fut bientôt suivi de beaucoup d’autres dans les différentspays, dans une course aux énergies de plus en plus grandequi a culminé avec le LEP (100 GeV et 27 km de circonférence)au CERN, mis en service en 1989. Le rayonnement synchrotrona tout d’abord été une nuisance. En effet, l’effet synchrotrondissipe de l’énergie des particules et engendre durayonnement parasite : le grand diamètre du LEP est imposépar la nécessité d’avoir une faible courbure de la trajectoiredes particules, de manière à limiter la production de rayonnementsynchrotron. Puis les physiciens se sont avisés que cesanneaux étaient des sources de lumière de grand intérêt.Dans un premier temps, il y eut utilisation partagée entre physiciensdes hautes énergies et physiciens du rayonnementsynchrotron (par exemple ACO et DCI au laboratoire LURE àOrsay, ou SPEAR à Stanford). Puis des anneaux de stockagede 2 e génération, dédiés seulement à la production de rayonnementsynchrotron, ont été réalisés (par exemple, le SRS àDaresbury près de Manchester en Grande-Bretagne,SuperACO à Orsay). Nous en sommes à la troisième génération,celle des anneaux conçus pour obtenir des sources derayonnement synchrotron très brillantes, très stables et tailléessur mesure pour diverses applications.Les anneaux de stockage à électrons sont souvent appelésdans le langage courant des synchrotrons, ce qui est pluscourt et plus percutant, mais impropre. En réalité, un anneaude stockage est en général associé à un (vrai) synchrotron –appelé encore « booster » – qui accélère jusqu’à l’énergierequise les électrons produits par un petit accélérateur linéaire– ou « linac » – avant de les injecter dans l’anneau de stockage(voir figure 2).Comment fonctionne un anneaude stockage à électronsDans un tel anneau, la trajectoire des électrons est constituéed’une alternance de parties courbées en arc de cercle(par application d’un champ magnétique permanent produitpar des aimants dits de courbure) et de sections droites.L’énergie perdue par les électrons à chaque révolution sousforme de rayonnement leur est restituée intégralement durantla traversée d’une cavité où règne un champ électrique longitudinalproduit par un système radio-fréquence (RF). Seuls lesélectrons qui arrivent en phase avec l’oscillation du champradio-fréquence sont maintenus en orbite stable : cet effetprovoque le regroupement des particules en « paquets » équidistants.La structure magnétique de l’anneau comprend,outre les aimants de courbure, un ensemble de quadrupôlesqui ramènent les électrons sur l’orbite moyenne, et d’hexapôlesqui corrigent diverses aberrations. Lors de la phase deremplissage (dite phase d’injection), les électrons produits parle booster sont injectés dans l’anneau et se stabilisent, ousont perdus dans les parois. Une fois l’anneau « rempli » (alorsla circulation des particules correspond à un courant continumoyen d’une fraction d’Ampère), l’injection est arrêtée et lesélectrons peuvent rester en orbite plusieurs heures.Figure 2 : Vue d’artiste d’un ensemble synchrotron, comprenant LINAC (1),booster (2), anneau de stockage (3) et des lignes de lumière (4).Le rayonnement synchrotron est extrait dans des « lignesde lumière » raccordées tangentiellement à la chambre à videdans laquelle circulent les électrons. À chaque fois qu’unpaquet passe devant un trou d’extraction, un éclair de rayonnementsynchrotron est émis dans la ligne de lumière correspondante.L’émission synchrotron est donc pulsée. Toutefois,à raison de millions d’éclairs par seconde, on peut considérerpour beaucoup d’applications que l’émission recueillie à l’extrémitéde chaque ligne de lumière est continue. La structurepulsée de l’émission peut être mise à profit dans des expériencesimpliquant une résolution temporelle ; à cette fin, l’anneauest spécialement injecté avec un nombre réduit depaquets contenant le plus de charges possible.Les anneaux de 3 e génération accueillent dans leurs sectionsdroites des dispositifs magnétiques spéciaux appelésonduleurs et wigglers. Un onduleur est une structure magnétiquepériodique dans lequel les électrons décrivent unetrajectoire en forme de sinusoïde de faible amplitude. Pourchaque électron, les émissions successives dans les diversesarches de la sinusoïde interfèrent entre elles. Il en résulte,d’une part une concentration de l’énergie rayonnée dans unebande fondamentale et des bandes harmoniques (au lieu duspectre continu produit dans un aimant de courbure) etd’autre part une réduction de la divergence du faisceau synchrotron.Dans ces conditions, la brillance (paramètre fondamentaldéfini comme le nombre de photons émis parseconde, à une certaine longueur d’onde et dans une bandespectrale déterminée, par unité de surface de source et parunité d’angle solide) devient très élevée. Le domaine spectrald’utilisation de chaque onduleur dépend de sa périodemagnétique. Il est possible aussi d’ajuster à volonté l’état depolarisation des photons. Les wigglers sont des systèmesintermédiaires entre aimants de courbure et onduleurs. Ainsi,un anneau de 3 e génération est un vélodrome à électrons, trufféd’éléments magnétiques d’insertion taillés sur mesure pourune application déterminée.Les photons émis dans les aimants de courbure et les sectionsdroites équipées d’éléments d’insertion sont ensuite dirigéspar des systèmes optiques (miroirs classiques ou multicouches,réseaux, cristaux) vers les stations expérimentalesutilisatrices du rayonnement et disposées à l’extrémité deslignes de lumière. Chaque ligne de lumière constitue un véritablelaboratoire où tous les éléments, depuis la source de10 Bulletin de la S.F.P. (150) juillet-août 2005

ayonnement jusqu’au détecteur et au système d’acquisitionde données, sont conçus et optimisés spécifiquement pourun ou plusieurs types d’applications.Principales caractéristiquesdu rayonnement synchrotronÉtendue spectrale allant del’infrarouge aux rayons XdursDe LURE à SOLEILAvantages potentielsSource universelleBrillance très élevée Réalisation d’expériencesrapides et/ou à très hauterésolution spectrale ou spatialeÉtat de polarisation : linéaire,circulaire ou elliptiqueStructure pulséeGrande stabilitéParfaitement contrôlableÉtudes résolues en tempsMesures précises, potentield’expériences d’imagerieTableau 1. Caractéristiques du rayonnement synchrotron, et ses principauxavantages.Une source de rayonnement synchrotron est un outil crucialpour la recherche et les applications. C’est démontré parl’existence, chez nos voisins, de sources synchrotron de3 e génération nationales, soit opérationnelles (Suisse, Italie,Allemagne, Suède), soit en construction (Grande-Bretagne,Espagne). Il y a de plus une source européenne de hauteénergie, l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) àGrenoble. À l’échelle mondiale, il existe actuellement environ84 sources de rayonnement synchrotron opérationnelles ouen construction, dont 17 de 3 e génération.Le projet SOLEIL (acronyme de Source Optimale deLumière d’Énergie Intermédiaire de LURE) a été initié il y aenviron 15 ans au laboratoire LURE (Laboratoire d’Utilisationdu Rayonnement Électromagnétique) d’Orsay. C’est au LURE,créé en 1972 et arrêté (pour la production de rayonnementsynchrotron) fin 2003, qu’a commencé l’aventure française durayonnement synchrotron. Le projet SOLEIL a fait l’objetd’une convention des tutelles CEA et CNRS pour la créationd’un groupe d’études sur une durée de 3 ans qui a abouti enmai 1999 à l’élaboration d’un avant-projet détaillé comprenanttoutes les spécifications nécessaires pour démarrer laconstruction.Nous n’évoquerons pas ici la belle et tumultueuse saga quis’ensuivit pour aboutir, en septembre 2000, à la décision deconstruire SOLEIL, sur le site du plateau de Saclay. Elle n’aguère d’équivalent dans toute l’histoire de la science française.Ce qui importe est qu’une décision positive ait finalementété prise, suite à l’avis positif d’un organisme instruisant lesdécisions de l’Assemblée Nationale et du Sénat, l’OPECST(Office Parlementaire d’Évaluation des Choix Scientifiques etTechnologiques). Nous soulignerons seulement quelquesaspects techniques et scientifiques de ce projet, qui est enFrance l’un des plus grands chantiers scientifiques dumoment.Une société civile, Synchrotron-SOLEIL, a été créée pour laconstruction et la mise en œuvre de l’installation. Le Conseild’administration de la société est constitué de représentantsdu CNRS et du CEA. Le financement de la construction estassuré majoritairement par des collectivités (Région Ile-de-France, Département de l’Essonne, Région Centre), et pour lereste par les organismes de recherche. Actuellement, le projetest financé pour la construction de 24 lignes de lumière. Lecalendrier actuel, prenant en compte les ressources tant enpersonnel que budgétaires, vise à mettre en service une douzainede ces lignes en 2006, avec le début de l’accueil deséquipes extérieures (phase 1). Le reste du programme s’échelonnerajusqu’en 2008 (phase 2). Par la suite, une vingtaine delignes supplémentaires pourraient être installées sur l’anneau,moyennant de nouveaux investissements.L’installation fournira sur chaque ligne aux utilisateurs, enrégime de croisière, de l’ordre de 5500 heures par an detemps de faisceau.SOLEIL accueillera pour des périodes plus ou moinslongues plus de 2000 chercheurs par an sur ses lignes delumière. Il gèrera sur son budget 350 emplois permanents,auxquels s’ajouteront une cinquantaine d’étudiants en thèseou post-doctorat, des chercheurs invités, etc. Des enseignants-chercheursdes universités pourront être affectés àSOLEIL pour la partie recherche de leur activité statutaire, viades conventions liant le laboratoire aux universités concernées.Par ailleurs, des chercheurs d’organismes extérieurs(CNRS, CEA, INRA…) ou des enseignants-chercheurs pourrontêtre associés à titre individuel à SOLEIL pour y faire toutou partie de leur recherche et participer aux tâches générales.Pour la recherche ou la formation, SOLEIL est un laboratoiretrès ouvert et bien connecté à son environnement, dans uncontexte régional, national et international.Pourquoi SOLEIL sera à la pointede la technologieL’étude qui est à l’origine du projet SOLEIL a permis dedévelopper un certain nombre d’idées nouvelles et ainsi demarquer des points décisifs dans les performances desmachines de 3 e génération d’énergie dite intermédiaire : labrillance et la durée de vie, mais également la stabilité du faisceaude photons (en position et en énergie) pour les utilisateurs,ont été améliorées.L’énergie des photons est déterminée par l’énergie desélectrons stockés, mais également par les caractéristiquesdes dispositifs d’insertion : pour un onduleur, plus la périodemagnétique est petite, plus l’énergie des photons émis estélevée. Des onduleurs de périodes différentes permettent decouvrir des domaines spectraux complémentaires. Par ailleurs,la durée de vie des faisceaux stockés croît avec l’énergie. Ona donc tout intérêt, même pour la production de rayonnementVUV (lumière visible et ultra-violette), à disposer d’une énergiede machine suffisamment élevée (E > 2.10 9 eV = 2 GeV),pour garantir une bonne durée de vie et utiliser des onduleursà grande période pour couvrir le spectre désiré. En revanche,une énergie trop élevée conduirait à des onduleurs troplongs ou à une dégradation inacceptable des optiques deslignes VUV à cause de la puissance émise. C’est à partir detelles considérations que l’énergie choisie a été 2,75 GeV,soit un facteur de Lorentz γ de 5380 ! Cette valeur permet àSOLEIL de fournir du rayonnement synchrotron de très hautebrillance depuis l’infrarouge lointain (longueur d’onde de300 µm) jusqu’aux rayons X. SOLEIL couvrira 7 décades enlongueur d’onde du rayonnement e. m. (et bien sûr en énergiedes photons).La brillance (définie plus haut) est le principal facteur demérite des sources de 3 e génération. Cette grandeur permetde qualifier à la fois le flux de photons disponible sur l’échantillon,et la possibilité de le focaliser et de l’exploiter avec unetrès haute résolution spectrale. Une des solutions pour augmenterla brillance est d’équiper l’anneau de stockage d’onduleursà grand nombre de périodes. Le gain en brillance parrapport à un aimant de courbure est alors de quatre ordres degrandeur. C’est dire l’importance du nombre et de la longueurdes sections droites dans ces machines. Or, l’optique deSOLEIL a été particulièrement optimisée dans ce sens : l’anneaude SOLEIL a une circonférence de 354 m, dont 104 mBulletin de la S.F.P. (150) juillet-août 2005 11

Figure 5 : Installation des pieux pour stabiliser le bâtimentdu synchrotron, en octobre 2003.dalle épaisse flottantsur 600 pieuxen béton plantésprofondémentdans le sable deFontainebleau duPlateau de Saclay(figure 5) ;conception dessupports desaimants (poutres)évitant les modesde vibration indésirables; moniteursde positiondu faisceau etsystème de correctionet deguidage performants; et enfincompacité denombreuseslignes de lumière.La stabilité localesur une durée de quelques heures escomptée de la positiondu faisceau d’électrons est de l’ordre du µm !Brillance et stabilité combinées sont des qualités essentiellespour des expériences utilisant des faisceaux de lumièrefocalisés sur des surfaces de taille micronique voire submicronique,et l’imagerie en IR, VUV et rayons X mous et durs.SOLEIL est donc une source universelle de lumière qui seprête à une multitude d’applications pluridisciplinaires. Leprogramme scientifique a été élaboré avec l’aide de groupesde travail et d’ateliers thématiques issus de larges communautésde chercheurs et répondra à de multiples problématiquesde la science en train de se faire. Il comprend demanière équilibrée des expériences visant soit à caractériserles propriétés électroniques de la matière, soit à déterminerses propriétés structurales.Des performances au servicede la recherche et de l’industrieL’utilisation du rayonnement synchrotron concerne, nousl’avons déjà souligné, un très large ensemble d’activités derecherche, que ce soit en recherche fondamentale dans lessciences de la matière et celles du vivant, ou en rechercheappliquée (figure 6).En recherche fondamentale, SOLEIL couvrira les besoins enphysique, en chimie et en sciences des matériaux, ensciences de la vie, en sciences de la terre et de l’atmosphère.Figure 6 : Parts de temps qui seront consacrées aux différents domainesd’étude sur les lignes de SOLEIL.Par ailleurs, SOLEIL souhaite s’ouvrir aux industriels, PMI,PME et groupes, et aux acteurs de certains grands enjeuxsociétaux intervenant à différents échelons géographiques :régional, national, européen et international. Le centre derayonnement synchrotron sera ainsi largement dédié aux activitésde recherche appliquée et de développement, decontrôle qualité (des matières premières, des produits intermédiaireset finis) et de fabrication, dans des secteurs variés :• pharmacie, biotechnologies, médical,• chimie, pétrochimie, cosmétiques, agroalimentaire,• métallurgie, mécanique, électronique,• matériaux plastiques, céramiques, verres…,• environnement, géophysique, sciences de la terre,• défense et sûreté nationales, police scientifique,• développement durable, sauvegarde du patrimoine culturel,etc.Les techniques qui seront disponibles à SOLEIL couvrent laplupart des besoins d’analyse, de caractérisation et demesures : absorption, diffraction, diffusion, fluorescence,microscopie, tomographie, imagerie, microspectroscopie… etpermettent également la mise en œuvre de procédés de transformationde la matière : fabrication de microsystèmes, irradiationde matières premières biologiques ou de matériaux…Parmi tous ces domaines, la cristallographie des macromoléculessera le pivot du programme en sciences de la vie.Les macromolécules biologiques sont en effet des micromachinesdont le fonctionnement détaillé ne peut être décritcomplètement que si l’on en connaît la structure tridimensionnelle(3D), ce que permet la cristallographie. Dans les dernièresannées, de nombreux génomes, y compris le génomehumain, ont été séquencés et l’exploitation rationnelle de lamarée d’information ainsi obtenue passe notamment parl’étude de la structure 3D de diverses protéines codées par legénome concerné. Le rayonnement X issu des onduleurssous vide de SOLEIL est idéalement adapté pour l’enregistrementultra-rapide des données de diffraction de cristaux deces protéines, dont l’analyse mathématique conduit rapidementà la structure 3D. C’est pourquoi deux lignes de lumièresont en construction à SOLEIL pour cette application. Ceslignes seront munies d’un robot manipulant les cristaux, dedétecteurs très performants et, à terme, d’un véritable système–expertassurant toutes les opérations depuis l’enregistrementdes données de diffraction jusqu’à l’analyse structurale.Ces possibilités intéressent les industries du médicament. Eneffet, la pharmacologie moderne s’appuie de plus en plus surla connaissance détaillée de la structure, par exemple, d’uneprotéine-cible, pour concevoir des inhibiteurs efficaces quiseront éventuellement utilisables comme médicaments. Lafigure 7 montre la structure d’un complexe membranaire résoluegrâce à l’utilisation du rayonnement synchrotron (ESRF).La cristallographie n’est que l’une des méthodes qui serontmises en œuvre dans le cadre du programme en sciences dela vie. Ce programme s’appuiera sur une dizaine de lignes delumière utilisées à temps complet ou partiel. Il s’agit surtoutde biologie structurale et d’imagerie dans un domaine spatialétendu (depuis la résolution atomique atteinte par la cristallographiejusqu’à l’imagerie de la cellule, de fibres et de tissuspar IR, VUV et éventuellement microscopie X mous), avecsouvent le couplage à des études résolues en temps.L’étude de sites pollués est également une application durayonnement synchrotron en fort développement. Un thèmemajeur en sciences de l’environnement concerne l’étude ducomportement de substances produites par les activitéshumaines et qui peuvent être dispersées alentour (contact :rose@cerege.fr). Le rayonnement synchrotron constitue unoutil bien adapté à de telles études. Parmi toutes les techniques,la spectroscopie d’absorption X (XAS) demeure incontournable.Tout d’abord le XAS agit comme une sonde sélec-Bulletin de la S.F.P. (150) juillet-août 2005 13

Figure 7 : Vue dans deux directions orthogonales de la structure cristallographiquede la formate déshydrogénase, un système macromoléculaire membranaire[1]. Cette représentation montre, non pas les atomes, mais pour plusde clarté les éléments de la structure secondaire (notamment hélices-alpha etfeuillets-béta) et les groupements fonctionnels. La position de la membraneest représentée en gris.tive, c’est-à-dire qu’il est possible d’étudier un seul élémentau sein d’un système complexe, d’en déterminer la structureélectronique et l’environnement atomique. Il peut en effet êtreprimordial de connaître l’état de valence des métaux impliquésdans certaines contaminations, car de cet état de valencepeut dépendre leur toxicité. C’est par exemple le cas duchrome : la forme Cr(VI) est beaucoup plus toxique que laforme Cr(III), dont la mobilité et la bio-accessibilité sont limitéespar une faible solubilité. Le spectre XAS (figure 8) permetde déterminer le rapport Cr(III)/Cr(VI).La préparation simple des échantillons rend également possibledes analyses in situ, c’est-à-dire sans perturber l’échantillon.Enfin, l’élément étudié est souvent en très faibleconcentration. Or la technique XAS est l’une des seulescapable de sonder l’environnement local de tout élémenttrace dans des systèmes naturels (sols, sédiments, neige,végétaux et micro-organismes…). L’étude de tels systèmespour lesquels les échantillons sont hétérogènes, et où les élémentssondés se trouvent à l’état de traces, tire un grandavantage de la brillance délivrée par les anneaux de 3 e générationtels que SOLEIL. Les qualités du faisceau de photons(intense et collimaté) permettent la combinaison d’expériencesde microfluorescence qui donnent une cartographiedes éléments, l’étude de la spéciation de ces éléments(micro-XAS) et la détection de phases précipitées à l’échelledu micron (microdiffraction X).Comme les échantillons prélevés sur des sites pollués, lesobjets anciens d’intérêt archéologique ou artistique exigentdes conditions particulières d’étude et de manipulation,dues ici à leur hétérogénéité, leur fragilité et leur rareté. Leslaboratoires du domaine du patrimoine culturel et de l’archéologietestent ainsi, depuis une vingtaine d’années, l’utilisationdu rayonnement synchrotron pour leurs recherches : microdiffractiondes rayons X pour identifier finement les pigmentsutilisés en peinture ; absorption des rayons X pour comprendrela dégradation des vestiges archéologiques marins ;microscopie infrarouge pour appréhender les interactionsentre emplâtres à base de plomb, datant de l’Antiquité, et lapeau ; analyse par fluorescence X pour retrouver lesméthodes de fabrication de verres anciens... Il s’agit de techniquesparticulièrement adaptées à ce type d’études car non(ou micro-) destructives. De plus, leur diversité ainsi que lapossibilité de coupler plusieurs techniques, sont adaptées àl’analyse d’échantillons hétérogènes, minéraux ou organiques,amorphes ou structurés. La brillance du rayonnementsynchrotron de SOLEIL permettra, avec un faisceau dequelques µm de diamètre, de répondre à la plupart desbesoins expérimentaux concernant les matériaux du patrimoine,par des mesures en cartographie et en tomographie surdes prélèvements. Concrètement, des partenariats se sontcréés, notamment avec les acteurs du GDR (Groupement DeRecherche) du CNRS « Matériaux du patrimoine et synchrotronSOLEIL », qui réunit une vingtaine d’équipes françaisesutilisant le rayonnement synchrotron pour l’étude des matériauxdu patrimoine. SOLEIL fournira également support, formationet expertise aux chercheurs dans le choix desméthodes d’étude, l’analyse des données et le développementde nouvelles expériences. Ce projet fait l’objet d’uneinterface dédiée.SOLEIL portera encore mieux son nom lorsque ses photonssimuleront le rayonnement solaire : par son caractère continuet accordable, le rayonnement synchrotron constitue eneffet un excellent moyen de simuler l’activité ionisante dusoleil. Ce sont alors les chercheurs en planétologie qui setourneront vers SOLEIL… (contacts : odile.dutuit@lcp.upsud.fr,christian.alcaraz@lcp.u-psud.fr). Dans les hautescouches des atmosphères planétaires, les espèces gazeusesqui sont soumises au rayonnement UV lointain provenant dusoleil sont ionisées. C’est dans cette couche, appelée ionosphère,que se produisent bien des processus primordiaux,pouvant affecter la planète toute entière. Dans le cas de laTerre, il y a d’une part l’activité électromagnétique, régie par lechamp magnétique de la planète, qui induit par exemple lesphénomènes d’aurores boréales ou la réflexion des ondeshertziennes (télécommunication). Il y a d’autre part l’activitéchimique, qui résulte de la réactivité exacerbée des espècesioniques présentes dans ce milieu, et qui conduit à la synthèsed’espèces de complexité variable (phénomènes de croissancefractale dans l’atmosphère de Titan). Il est dès lorsimportant de comprendre de façon détaillée les mécanismesrégissant un tel milieu, d’autant plus que la conquête spatialenous ouvre régulièrement de nouveaux horizons, aux caractéristiquestrès diverses. C’est la raison pour laquelle une forteactivité de modélisation est engagée par les agences spatialespour prévoir et interpréter, aussi finement que possible,les résultats scientifiques des missions spatiales. Mais pourFigure 8 : Spectre XANES(*) au voisinage du seuil K du chrome (E 0≈ 5990eV) dans un échantillon de ciment dopé au chrome, comparé à deux références: Cr 2O 3(CrIII) et Na 2CrO 4(CrVI). Le spectre d’absorption des rayons Xprésente un « pré-pic » intense autour de E 0du CrVI.(*) Le XANES (pour X-ray Absorption Near Edge Structure) est la méthode quiétudie la région des spectres XAS proche du seuil d’absorption d’un élémentdonné. Il renseigne sur la structure électronique et les liaisons chimiques del’élément, ici le chrome.14 Bulletin de la S.F.P. (150) juillet-août 2005

affiner ces modèles, des données expérimentales sont nécessaires,et c’est à ce niveau qu’interviennent les études fondamentalesde réactivité chimique élémentaire qui peuvent êtremenées sur un centre de rayonnement synchroton tel queSOLEIL. Il devient ainsi possible de produire des espècesdont on connaît précisément le mode de formation, pourensuite les faire réagir, en atmosphère raréfiée, avec un gazcorrespondant à celui rencontré dans l’ionosphère considérée.De plus, le caractère pulsé de la lumière synchrotronpermet une définition précise de l’énergie d’excitation portéepar l’ion réactant. Autant d’atouts qui font de SOLEIL un outilaux caractéristiques extraordinaires pour aller plus loin dansla description précise de telles réactions chimiques.Pour clore cette liste, loin d’être exhaustive, citons lesrecherches menées sur les dispositifs d’enregistrementmagnétique, qui sont présents dans un nombre croissant defoyers. De plus en plus perfectionnés, ils rendent possiblel’utilisation de supports à très haute densité de stockage. Parexemple, les têtes de lecture de disques durs les plussensibles sont aujourd’hui capables de lire des informationsmagnétiques stockées sur des supports à plus de10 Gbits/cm 2 , soit 1 bit magnétique pour 100x100 nm 2 . Cestêtes de lecture sont réalisées par un empilement successif defilms minces non magnétiques, ferromagnétiques et antiferromagnétiquescouplés. Le mécanisme de couplage entrecouches et le rôle joué par les interfaces sont encore malconnus, leur compréhension nécessite des approches variées.La haute brillance des nouvelles sources de rayonnementsynchrotron a ouvert la voie à l’imagerie des surfaces, interfaceset films minces avec des résolutions spatiales latéralesde l’ordre de 20 nm. Ainsi, un microscope à photoélectrons(PEEM, pour PhotoEmission Electron Microscope) permet decombiner la sélectivité chimique et magnétique de l’absorptionX, la sensibilité aux couches les plus superficielles de latechnique de photoémission et l’imagerie. Récemment, àl’ALS à Berkeley, une étude très complète de l’interface entreune couche antiferromagnétique d’oxyde de nickel, NiO, etune couche ferromagnétique de cobalt a permis de préciserl’origine du couplage magnétique entre les deux films [2].L’installation d’un PEEM, prévu sur l’une des lignes delumière de SOLEIL, permettra à la communauté scientifiquede disposer d’un outil unique de visualisation des domainesmagnétiques dans des dispositifs multicouches (contact :rachid.belkhou@lure.u-psud.fr). À l’avenir, il peut être envisagéd’enregistrer des images en des temps suffisammentcourts pour accéder à des évolutions lentes de cartes dedomaines magnétiques (échelle de la seconde).Figure 9 : Hall expérimental en contruction du synchrotron SOLEIL (juin 2005).À chaque redent, une ligne de lumière prendra place. Au total, 24 lignesseront ouvertes progressivement entre 2006 et 2010.PerspectivesGrâce aux efforts de tous, équipes de SOLEIL mais aussiutilisateurs et chercheurs associés, SOLEIL sera une sourcepolyvalente, d’une grande souplesse d’adaptation, incorporantde nombreuses idées novatrices en même temps que lesmeilleures techniques actuelles, ce qui devrait assurer lapérennité de l’installation pendant les 30 ans à venir. Le projetest maintenant dans sa phase la plus excitante, à quelquesmois de son entrée en fonctionnement (figure 9), pour la fournituredes premiers photons début 2006 et un accueil des premiersutilisateurs à l’automne 2006.Pour en savoir plus…Mis à jour en continu, le site WEB de SOLEIL permet d’avoirdes informations détaillées sur le projet et son état d’avancement: www.synchrotron-soleil.fr. Ce site comprend une section« ressources pédagogiques » permettant aux enseignants d’obtenirdes outils de travail, en classe ou en vue d’une préparation devisite de SOLEIL, sur les thèmes du rayonnement synchrotron etses applications, et fournit des liens avec les sites internet desautres synchrotrons de 3 e génération.Références[1] Jormakka, M., Tornroth, S., Byrne, B. & Iwata, S. (2002) Science295 (5561), 1863-68.[2] Ohldag J. et al. (2001) Phys. Rev. Lett. 87, 247201.Bulletin de la S.F.P. (150) juillet-août 2005 15